土壤物质组成-1土壤与土壤资源学.ppt

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1、第四章 土壤物质组成,【概述】土壤是由固相、液相、气相和土壤生物体四部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占45，有机质占5%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中，如图。,适宜植物生长的土壤体积组成示意图,第一节 土壤矿物,土壤矿物主要来自成土母质或母岩，是土壤的主要组成物质。土壤矿物构成了土壤的“骨骼”，它对土壤组成、性状和功能具有巨大的影响。按照发生类型可将土壤矿物划分为原生矿物、次生矿物、可溶性矿物三大类。,1 土壤原生矿物 直接来源于母岩特别是岩浆岩。其中包括石英、铝硅酸盐中的长石类矿物、云母类矿物、橄榄石类矿物、辉石与

2、角闪石类矿物、氧化物类、硫化物类和磷灰石类。不同的原生矿物抗风化能力差异很大，土壤中存在的原生矿物主要由较难化学风化的浅色矿物所组成（见图）。,土壤矿物的风化及稳定性序列图,（据土壤地理学，高等教育出版社，2004）,2 土壤次生矿物 原生矿物在风化和成土过程中新形成的矿物。包括：简单盐类 如氯化物、碳酸盐等；次生氧化物类 主要为铁、铝、锰等金属氧化物，及无定形二氧化硅等；层状铝硅酸盐类 主要有水云母（伊利石）、蒙托石、高岭石3大类。层状铝硅酸盐类和次生氧化物类是土壤矿物中最细小的部分，呈现高度分散性，并具有强烈的吸附代换性能，能吸收水分和膨胀，因而具有明显的胶体特性，又称为黏土矿物。在不同的

3、气候区，会形成不同的占优势粘土矿物，如图。,不同地理环境中次生矿物形成的一般模式（据土壤地理学，高等教育出版社，2004）,我国粘土矿物分布的地带性,新疆、甘肃西部和内蒙古西部为水云母地带；内蒙中部、黄土高原北部和东北西部为水云母-蒙脱石地带；华北大部和东北平原为水云母蛭石地带；北亚热带湿润区为水云母-蛭石-高岭石地带；江南丘陵、四川盆地及云贵高原为高岭石-水云母地带；华南及云南南部为高岭石-二三氧化物地带。,3 土壤矿物对肥力的作用,土壤骨骼，土壤立体空间的支持；土壤（质量）的主要组分；矿质颗粒的大小与组成影响土壤物理性质和水、气、热状况；某些土壤原生矿物的继续风化可提供矿质养分；粘土矿物的

4、胶体性质显著影响土壤的阴/阳离子吸附和养分保持与协调供应。,第二节 土壤有机质,土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。是土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。表层土壤有机质含量一般在1%10%，平均不到5%。尽管含量远不及矿物质，但有机质对土壤肥力的形成、维持和发展却起着关键作用。,各种不同有机质含量的土壤和土层,中国某些自然土壤中有机质含量,一、土壤有机质的来源、类型和组成 1 土壤有机质的来源 生物残体/凋落物 高等植物的枯枝、落叶、落果、根系等；其次是土壤中动物、微生物的遗体；生物排泄物/分泌物 高等植物根系分泌物，土壤动物排泄物，土壤微生物分泌物

5、；人为施用的有机肥料。,2 土壤有机质的类型生物有机质（普通有机质）新鲜有机质 指那些仍保持原来形态，没被分解的动物植物及微生物遗体或排泄物。有机残余物和简单有机化合物 有机残余物指半分解状态的有机物质。简单有机物包括糖类有机残余、氨基酸、脂肪等有机化合物。土壤腐殖质 土壤腐殖质是生物有机质在微生物和酶作用下，经分解再合成作用形成的高分子有机化合物的总称。由于较难继续分解而易于积累，所以腐殖质往往构成土壤有机质的主体。,3 有机质的化学组成（生物有机质）碳水化合物 碳水化合物主要有简单糖类、淀粉、纤维素、半纤维素等多糖类物质。易分解。含氮硫磷化合物 动、植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质，少量

6、比较简单的可溶性氨基酸，植物残体中的叶绿素等。含硫化合物如硫蛋白，含磷化合物有磷脂、核酸等。易分解。树脂、脂肪、蜡质 这是一类复杂的有机化合物，不溶于水而溶于有机溶剂如酒精、苯等物质中，在土壤中一般分解缓慢。单宁类 即缩合的多元酚类，不易分解。,木质素 植物木质部的主要组成成分，是结构复杂的有机化合物，不易分解。木栓质 树皮中行量很高，不易分解。灰分 残体燃烧后，残留在灰分中的物质。构成灰分的主要元素为Ca、Mg、K、Na、S、P、S、Fe、AL、Mn，以及微量元素I、Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K、Al为最多。,(据Brady N C)绿色植物组织的成分,1 概念复杂有机质在微生物的

7、作用下，逐渐分解为简单有机物，最终彻底分解为二氧化碳、水和无机盐，并放出能量的过程。2 意义 所含矿质养分（无机盐）的释放；为进一步腐殖质合成准备材料；自然界碳循环必要环节。,二、土壤有机质的矿化作用,3 主要生物有机质的矿化（分解）过程 1）碳水化合物的分解 土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖：(C6H10O5)nnH2OnC6H12O6,也称氧化作用。其反应如下：nC6H12O66O2 6CO26H20热量,单糖,好气条件,水和二氧化碳,也称发酵作用。其反应为：C6H12O6 CH3CH2CH2COOH2H22CO2热量

8、4H2CO2 CH42H2O,单糖,通气不良的条件下,还原性气体、有机酸,2）含氮有机质的分解 含氮生物有机质包括蛋白质、氨基酸等。水解作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作用。蛋白质 氨基酸,氨化作用 分解含氮有机物（氨基酸）产生氨的生物学过程称 氨化作用。CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3,硝化作用 氨态氮或铵被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细

9、菌氧化成硝酸。其反应如下：2NH23O2 2HNO22H2O热量2HNO2O2 2HNO3热量,反硝化作用硝态氮在通气不良的条件下通过反硝化细菌的作用还原成气态氮（N2O和N2）的过程。其反应如下：,反硝化细菌,C6H12O624KNO3,24KHCO36CO212N218H2O,3）含磷、硫有机物的分解 含磷有机物的分解 土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在磷细菌的作用下进行分解：,产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸可被还原为磷化氢，其反应如下：H3PO4 H3PO3 H

10、3PO2 PH3,含硫有机物的分解 植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化合物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨基酸 H2S,还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。,4 矿化作用的影响因素,内因 生物残体的化学组成。含碳水化合物、氮、硫、磷化合物较高者，易分解；含木素、单宁、木栓质、树脂较高者难分解。另外，C/N(25),C/P 重要指标。外

11、因 温度，水分状况，通气性，酸度,三、土壤有机质的腐殖化作用,第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化；另一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料。第二阶段：上述半分解产物在微生物酶的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元。先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质（如图）。,1 土壤腐殖质的形成,土壤腐殖质形成过程示意图,2 腐殖质的种类（分组）腐殖质不是一种单一的化合物，而是一类高分子聚缩物，其主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的8590，称为腐殖物质。其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物，因与腐殖酸紧

12、密结合难以分离，故与腐殖酸合称为腐殖质。,根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度和颜色可分离出胡敏素、胡敏酸和富里酸3种性质不同的腐殖物质。,NaOH或NH4OH 稀溶液处理,不溶解的腐殖物质 胡敏素,溶解的暗褐色溶液,HCl或 H2SO4处理,沉淀物质 胡敏酸,黄白色溶液 富里酸（见下图）,土壤,土壤腐殖质组分及其分离过程图式,在3类腐殖物质中，胡敏素为与矿物质紧密结合的腐殖质，其性质不活泼，不能作为独立的腐殖物质存在，所以一般把土壤腐殖质概括为胡敏酸和富里酸两大组。3 腐殖质的性质 1）胡敏酸和富里酸的共性 胡敏酸和富里酸同属于高分子有机化合物；两性胶体，具胶体特性，如分散性和凝聚 性，离子吸附与

13、代换性能等；主要组成元素有：C、H、O、N，还有P、S等；具稳定性，抗微生物分解。,2）胡敏酸的特性胡敏酸是土壤中溶于稀碱的棕褐色的天然有机高分子化合物。胡敏酸缩合度高，分子量大，平均大于25000，高者可达上百万；胡敏酸的官能团多，所以它具有较强的交换能力；官能团中羧基相对较少，弱酸性；仅1价盐溶于水，2、3价盐均不溶；凝聚性好，利于土壤结构形成。,3）富里酸的特性 富里酸是土壤中溶于稀碱也溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物；富里酸的缩合度相对较低，分子量较胡敏酸小（3 0006 000）；羧基官能团相对较多，酸性较强；其1、2、3价盐皆溶于水；络合溶解能力强。分散性高，移动性大；凝聚性相

14、对较差，对土壤结构形成的作用相对较小。,4 腐殖化作用的影响因素,外因 冷凉气候和过湿水分状况利于腐殖质积累，湿热气候和排水良好条件则利于有机质矿化。内因 大多数草本植物或阔叶树残体（盐基较高）有利于形成胡敏酸类为主的腐殖质；针叶树残体利于形成富里酸类为主的腐殖质。,四、土壤有机质的作用和调节,1 土壤有机质对提高土壤肥力的作用 提供植物需要的养分 N，P，K.促进植物生长发育 类激素 促进土壤微生物活动 改善土壤结构，增强土壤蓄水通气性 提高土壤的保肥性和对酸、碱的缓冲性 促进土壤养分的有效化 P及金属元素 减轻重金属和农药的危害,2 土壤有机质的调节措施 1）增施有机肥料、种植绿肥对苗圃土壤和瘠薄的园林绿化地、果园等增施有机肥料是增加有机质的基本方法。据研究，施入土壤中的有机质，一般能有2334被分解，其余的则转化为腐殖质积累在土壤中。2）保留树木凋落物 树木凋落物是林地（包括园林）土壤有机质的主要来源之一，应采取有效措施保护。,3）调节土壤水、气、热等状况土壤微生物的生活条件得到正常满足时，有机质才能正常转化，矿化和腐殖化才能得以协调。如密林疏伐透光，可提高土壤温度；低地开沟排水，均可促进过厚凋落物层的分解，提高养分有效性。4）调节C/N（凋落物组成）如针阔混交，适量施氮肥等。,（待 续）,